压缩瓦斯后部冷却器的机械设计

1、摘 要本设计说明书是关于压缩瓦斯后冷却器的设计，实现热能的再利用。考虑到工艺需求和造价，我们选用了浮头式换热器。浮头式换热器主要由管箱、管板、壳体、换热管、折流板、拉杆、定距管、钩圈、浮头盖等零部件组成。其优点为热应力较小，便于检查和清洗，缺点是浮头盖与管板法兰连接有相当大的面积，结果壳体直径增大，在管束与壳体之间形成了阻力较小的环形通道，部分流体将由此旁通而不参加热交换过程。设计内容主体是换热器的换热器的结构和强度设计，主要是根据已经选定的换热器型式进行设备内各零部件的设计，包括：材料的选择、具体尺寸确定、确定具体位置、管板厚度的计算、浮头盖和浮头法兰厚度的计算、开孔补强计算等。关键词： 浮

2、头式换热器、机械设计、强度校核I第一章 换热器概述目录摘 要I第一章 换热器概述31.1 换热器的应用31.2 换热器的主要分类31.2.1 换热器的分类及特点31.2.2 管壳式换热器的分类及特点4第二章 设计主要参数与材料选择72.1 设计条件72.2 材料选择72.2.1 钢板72.2.2 钢管72.2.3 螺柱和螺母82.2.4 法兰82.2.5 容器法兰垫片82.2.6 拉杆、定距管82.2.7 鞍座8第三章 换热器结构选择93.1 前端管箱93.2 管束分程和分程隔板的布置93.2.1 管束分程93.2.2 分程隔板的布置103.3 换热管103.3.1 换热管的长度103.3.2

3、 规格及尺寸偏差103.3.3 布管113.3.4 布管限定圆123.4 管子与管板的连接133.5 管板与壳体的连接143.6 折流板和支持板143.7 拉杆和定距管153.8 防冲与导流173.9 法兰选择173.9.1 密封面型式173.9.2 管箱法兰、壳体法兰、外头盖侧法兰和外头盖法兰173.9.3 接管法兰173.9.4 垫片183.10 支座的选择19第四章 设计计算与强度校核204.1 壳体、管箱圆筒和外头盖圆筒的壁厚计算与校核204.1.1 符号204.1.2 壳体壁厚计算和校验204.1.3 管箱圆筒壁厚计算和校验214.2 浮头盖封头和管箱封头厚度计算224.2.1 管箱

4、封头厚度计算244.3 管板计算与校核254.3.1 管板的厚度计算254.3.3 管子与管板连接拉脱力的计算与校核264.4 支座计算与校核274.5 接管开孔补强计算274.6 压力实验294.6.1 壳体水压试验294.6.2 管程水压试验压力30第五章 制造、检验和验收315.1 总则315.2 浮头式换热器的制造315.2.1 封头和管箱315.2.2 折流板315.2.3 管束的组装325.2.4 换热器的组装325.3 浮头式换热器的检验与验收32结论34参考文献35第一章 换热器概述1.1 换热器的应用在工业生产中，换热器的主要作用是将能量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，

5、是流体温度达到工艺流程规定的指标，以满足工艺流程上的需要。此外，换热器也是回收余热、废热特别是低位热能的有效装置。例如，高炉炉气（约1500）的余热，通过余热锅炉可生产压力蒸汽，作为供汽、供热等的辅助能源，从而提高热能的总利用率，降低燃料消耗，提高工业生产经济效益。随着我国工业的不断发展，对能源利用、开发和节约的要求不断提高，因而对换热器的要求也日益加强。换热器的设计、制造、结构改进及传热极力的研究十分活跃，一些新型高效换热器相继面世。1.2 换热器的主要分类在工业生产中，由于用途、工作条件和物料特性的不同，出现了不同形式和结构的换热器。1.2.1 换热器的分类及特点按照传热方式的不同，换热器

6、可分为三类：1）直接接触式换热器 又称混合式换热器，它是利用冷、热流体直接接触与混合的作用进行热量的交换。这类换热器的结构简单、价格便宜，常做成塔状，但仅适用于工艺上允许两种流体混合的场合。）蓄热式换热器在这类换热器中，热量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完成的。首先让热流体通过，把热量积蓄在蓄热体中，然后再让冷流体通过，把热量带走。由于两种流体交变转换输入，因此不可避免地存在着一小部分流体相互掺和的现象，造成流体的“污染”。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜，单位体积传热面比较大，故较适合用于气-气热交换的场合。）间壁式换热器这是工业中最为广泛使用的一类换热器。冷、热流体被一固体壁面隔开，通过壁

7、面进行传热。按照传热面的形状与结构特点它又可分为：a）管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等；b）板面式换热器：如板式、螺旋板式、板壳式等；c）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。1.2.2 管壳式换热器的分类及特点管壳式换热器是目前用得最为广泛的一种换热器，主要是由壳体、传热管束、管板、折流板和管箱等部件组成，其具体结构如下图1.1所示。壳体多为圆筒形，内部放置了由许多管子组成的管束，管子的两端固定在管板上，管子的轴线与壳体的轴线平行。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。为了增加壳程流体的速度以改善传热，在壳体内安装

8、了折流板。折流板可以提高壳程流体速度，迫使流体按规定路程多次横向通过管束，增强流体湍流程度。1-封头；2-隔板；3-管板；4-挡板；5-管子；6-外壳图1.1管壳式换热器示意图流体每通过管束一次称为一个管程；每通过壳体一次就称为一个壳程。为提高管内流体速度，可在两端管箱内设置隔板，将全部管子均分为若干组。这样流体每次只通过部分管子，因而在管束中往返多次，这称为多管程；同样。为提高管外流速，也可以在壳体内安装纵向挡板，迫使流体多次通过壳体空间，称为多壳程。多管程与多壳程可以配合使用。由于管内外流体的温度不同，因之换热器的壳体与管束的温度也不同。如果两流体温度相差较大，换热器内将产生很大的热应力，

9、导致管子弯曲、断裂或从管板上拉脱。因此，当管束与壳体温度差超过50时，需采取适当补偿措施，以消除或减少热应力。根据所采用的补偿措施，管壳式换热器可以分为以下几种主要类型：1）固定管板式换热器：其结构如图1.2所示。换热器的管端以焊接或胀接的方法固定在两块管板上，而管板则以焊接的方法与壳体相连。与其它型式的管壳式换热器相比，结构简单，当壳体直径相同时，可安排更多的管子，也便于分程，同时制造成本较低。由于不存在弯管部分，管内不易积聚污垢，即使产生污垢也便于清洗。如果管子发生泄漏或损坏，也便于进行堵管或换管，但无法在管子的外表面进行机械清洗，且难以检查，不适宜处理脏的或有腐蚀性的介质。更主要的缺点是

10、当壳体与管子的壁温或材料的线膨胀系数相差较大时，在壳体与管中将产生较大的温差应力，因此为了减少温差应力，通常需在壳体上设置膨胀节，利用膨胀节在外力作用下产生较大变形的能力来降低管束与壳体中的温差应力。1-防冲板；2-拉杆；3-单弓形折流板；4-分流隔板；5-旁路挡板；6-管板；7-传热管图1.2 固定管板式换热器）浮头式换热器：管子一端固定在一块固定管板上，管板夹持在壳体法兰与管箱法兰之间，用螺栓连接；管子另一端固定在浮头管板上，浮头管板夹持在用螺柱连接的浮头盖与钩圈之间，形成可在壳体内自由移动的浮头，故当管束与壳体受热伸长时，两者互不牵制，因而不会产生温差应力。浮头部分是由浮头管板，钩圈与浮

11、头端盖组成的可拆联接，因此可以容易抽出管束，故管内管外都能进行清洗，也便于检修。由上述特点可知，浮头式换热器多用于温度波动和温差大的场合，尽管与固定管板式换热器相比其结构更复杂、造价更高。 3）U型管式换热器：一束管子被弯制成不同曲率半径的U型管，其两端固定在同一块管板上，组成管束，从而省去了一块管板与一个管箱。因为管束与壳体是分离的，在受热膨胀时，彼此间不受约束，故消除了温差应力。其结构简单，造价便宜，管束可以在壳体中抽出，管外清洗方便，但管内清洗困难，故最好让不易结垢的物料从管内通过。由于弯管的外侧管壁较薄以及管束的中央部分存在较大的空隙，故U型管换热器具有承压能力差、传热能力不佳的缺点。

12、4）双重管式换热器：将一组管子插入另一组相应的管子中而构成的换热器，其结构如图1.3所示。管程流体（B流体）从管箱进口管流入，通过内插管到达外套管的底部，然后返回，通过内插管和外套管之间的环形空间，最后从管箱出口管流出。其特点是内插管与外套管之间没有约束，可自由伸缩。因此，它适用于温差很大的两流体换热，但管程流体的阻力较大，设备造价较高。）填料函式换热器：图1.4为填料函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封，管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰和壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同

13、的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低，但填料处容易泄漏，工作压力与温度受一定限制，直径也不宜过大。1-盘环形折流板环板；2-盘环形折流板盘板；3-纵向隔板；4-换热管；5-管箱；6-分程隔板；7-定距管；8-拉杆 图1.3 双壳程U型管壳式换热器 图1.4 填料函式换热器35第二章 设计主要参数与材料选择第二章 设计主要参数与材料选择2.1 设计条件 表2.1 换热器初始条件壳程管程程数41介质瓦斯气、凝缩油循环水工作压力 MPa 1.40.5设计压力 MPa=1.58=1.27设计温度 11763入口温度 =97=33出口温度 =50=43焊缝系数 10.85换

14、热面积 =2102.2 材料选择压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计、组织结构的改变和零件表面改性。2.2.1 钢板Q345R是普通低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，使用状态为：热轧、控轧或正火。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345R钢有所提高外，还要求保证冲击韧性，对钢材的表面缺陷和内部缺陷要求比较较高。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。可用于容器壳体材料中。本设计中选用Q345R作为壳体、管箱、管板的材料。Q235B有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造

15、性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。主要用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。本设计选用Q235B作为分程隔板、挡板、折流板的材料。2.2.2 钢管 10号钢塑性、韧性很好，易冷热加工成形，正火或冷加工后切削加工性能好，此钢的可焊性非常好，可以用任何方法进行焊接，焊前和焊后不必进行热处理，无回火脆性，淬透性和淬硬性均差。但此钢用不宜用于要求高强度的环境，只适用于要求受力不大、韧性高的零件中，可用作冷轧、冷冲、冷镦、冷弯、热轧等工艺成形，也可用作心部强度不高的渗碳件、碳氮共渗件等。本设计选用10号钢作为换热管的材料。2.2.3 螺柱和螺母30CrMoA钢是一种Cr-Mo系列合

16、金结构钢，在淬火及低温回火后或淬火及高温回火后都具有很好的综合力学性能，只有回火温度高于530时强度才明显降低。30CrMoA钢调质后，在高温（低于550）条件下也有较高的强度，钢的低温韧性良好。35CrMoA也是中淬透性钢的一种，常用于代替40CrNi制大截面齿轮与轴，汽轮发电机转子，480以下工件的紧固件。本次设计螺柱与螺母选择的材料是：30CrMoA，35CrMoA2.2.4 法兰高压容器的平盖、端部法兰、中（低）压设备的法兰及接管法兰等常用锻件制成。根据锻件检测项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准将锻件分为、四个级别。锻件通常所用的钢材有Q235R、Q235F、16Mn、20等。法兰

17、材料的选取通常与换热器壳体材料一致。通常所用的钢材有Q235、Q235F、16Mn、15MnV、20等。因法兰是在主要的受力元件之一，故需有较高的强度，故选择低合金钢16Mn锻件，它的特点是：高的强度和屈服比，高韧度，良好的焊接性能和冷、热加工性能，一定的腐蚀性能。2.2.5 容器法兰垫片垫片可用材料有橡胶垫片、石棉橡胶板垫片、聚四氟乙烯垫片、柔性石墨复合垫、缠绕垫、金属包裹垫、金属环垫等。本设计中壳程介质原料油粘度大、具有易燃的特性，要求法兰与垫片之间具有较好的密封性能。根据HG20614-97钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定，选用缠绕垫片，垫片材料选用柔性石墨作为填充带材料，根据GB /T

18、 4705-2000选用06Cr19Ni10作为加强环材料。2.2.6 拉杆、定距管拉杆要求有足够的强度和良好的焊接性，距管要求有足够的强度和良好的焊接性，考虑到设计要求，拉杆选材为Q235B，定距管选材为10钢。2.2.7 鞍座鞍座是换热器受载元件之一，要求有足够的强度和良好的焊接性能。故选用低合金钢Q235B。第三章 换热器结构选择第三章 换热器结构选择3.1 前端管箱1）A 型（平盖管箱） 前端管箱形式中A，装有管箱平盖（或称盲板），清洗管程时只要拆开盲板即可，而不必拆卸整个管箱和与管箱相连的管路，缺点是盲板结构用材多，且尺寸较大时得用锻件，耗费大量机加工工时，提高制造成本，增加一道密封

19、的泄漏可能。一般多用于DN<900mm 的浮头式换热器中。2）B 型封头管箱型。用于单程或多程管箱，优点是结构简单，便于制造，适于高压，清洁介质，可省掉一块造价高的盲板、法兰和几十对螺栓，且椭圆封头受力情况要比平端盖好得多，缺点是检查管子和清洗管程时必须拆下连接管道和管箱，但这种形式用的最多。本设计在考虑了操作的方便，且考虑B 型管箱的优点以及公称直径大小后选取B,型封头管箱型为前端管箱。图3.1 前端管箱3.2 管束分程和分程隔板的布置3.2.1 管束分程在设计中，若采用多管程，则需要在管箱中安装分程隔板。分程时，应使各程管子数目大致相等，隔板形式要简单，密封长度要短。为使制造、维修和

20、操作方便，一般采用偶数管程。程数不宜过多，随着程数的增加，换热器的传热效率下降且与错流传热接近。本设计按照题目要求设计管程为4，其中管束分程方法常采用平行方式。3.2.2 分程隔板的布置在换热器中，不论是管外还是管内的流体，要提高它们的传热系数，通常是采用设置隔板的方法来增加程数以提高流体流速实现其目的。在设计时要求管箱隔板的密封面与管箱法兰密封面，管板密封面与分程槽面必须处于同一基面，本设计管程隔板形式采用上图中最常用的结构形式（a），如图3.2所示。图3.2 分程隔板3.3 换热管3.3.1 换热管的长度根据管壳式换热器GB151-1999 规定，换热管的长度推荐采用：1.0、1.5、2.

21、0、2.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0、12.0m。本设计中选取换热管长度为6.0m。3.3.2 规格及尺寸偏差本设计中换热管采用10号钢材料，根据钢制管壳式换热器GB151-1999 规定，换热管外径的规格有14mm、16mm、19mm、25mm、32mm、38mm、45mm、57mm。由于走管程的介质是循环水，黏度较小，选用较小的管径，故本换热器中选择252.5规格的换热管，由表3.1查得，换热管中心距为32，分程隔板槽两侧相邻管中心距44。表3.1 换热管常用中心距换热管外径d1920222530323538换热管中心距S2526283238404448分程隔板槽两侧相邻管中

22、心距Sn 3840424450525660级管束管束管板管孔直径及允许偏差符合表3.2的规定：表3.2 级管束管束管板管孔直径及允许偏差换热管外径1416192532384557管孔直径14.2516.2519.2525.25 32.2538.4045.40 57.55允许偏差 因换热器中选择换热管外径为25mm，则管孔直径为25.25，允许偏差为+0.25、0。3.3.3 布管换热管中心距一般不小于1.25倍的换热管外径，这是保证管间小桥在胀管时有足够的强度。当采用焊接方式时，管间距可以小一些。传热管在管板上的排列有四种基本形式，即正三角形，正四边形，转角正三角形、转正四边形。如下图3.3所

23、示：图3.3 布管排列方式三角形排列最为普遍，其在同一直径管板面积上可排最多的换热管数。其用于壳程介质较清洁，换热管外不需清洗。当需对换热管外清洗时，则需采用正方形排列，其最小清洗通道应不小于6毫米。对于正方形排列，在一定的管板面积上可排列的管数最少，但它易于清扫，故在易于生成污垢，需将管束抽出清洗的场合得到一定的应用，浮头式和填料函换热器中采用这种排列较多。本次设计的类型为浮头式换热器，综合壳程介质为瓦斯气和凝缩油，故选用的布管方式为正三角形排列。根据任务书给的换热管根数为496，因为换热器管程为4，故取=124.3.3.4 布管限定圆符号：b 其值按表3.3选取，mm；b1 见图3.4，其

24、值按表3.4选取，mm；b2 见图3.4，mm；bn 垫片宽度，其值按表3.3选取，mm；DL 布管限定圆直径，mm；Di 圆筒内直径，mm；d 换热管外径，mm； 图3.4 图3.5 表3.3 表3.4Dib<100010002600>3>4Dibnb1700>700101335 Di= 900mm，取b=4mm，bn=13.5mm，b1=5mm则有:。表3.5 布管限定圆直径换热器型式固定管板式、U形管式浮头式布管限定圆直径布管限定圆为管束最外层换热管中心圆直径，由表3.5计算得：。3.4 管子与管板的连接换热管与管板连接是管壳式换热器设计、制造最关键的技术之一，是

25、换热器事故率最多的部位。所以换热管与管板连接质量的好坏，直接影响换热器的使用寿命。换热管与管板的连接方法主要有强度胀接、强度焊、胀焊并用。而其连接结构如图3.6所示： 图3.6 管子与管板的连接方式强度胀接是为了保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接。胀接结构制造简单，管子的更换和修补容易，所以应用较广。一般使用的管板为碳素钢，低合金钢，管子为碳钢，设计压力不超过4.0MPa。强度焊的结构强度高，抗拉脱力强，在高温高压下能保证连接处的紧密性和抗拉脱能力。随着高温、高压换热器的出现，使接头在操作过程中，受到反复变形，热冲击，热腐蚀及介质压力作用，工作环境极其苛刻，发生破坏的可能性很大，

26、尽管内孔焊较理想的解决了这些问题，但因焊接工具复杂，管板加工困难，因此工程上多数情况下还是采用胀焊结合的形式来解决上述问题。在本设计中采用胀焊并用的方法来作为换热管与管板的连接方式，此方法既保证换热管与管板连接的密封形，又保证了换热管与管孔之间缝隙的拉脱力。3.5 管板与壳体的连接管板与壳体的连接形式，分为两类：一是不可拆式的，如固定式管板换热器，管板与壳体是用焊接连接；一是可拆式的，如U形管式、浮头式及填料函式和滑动管板式的换热器，一般采用管板本身不直接与壳体焊接，而通过壳体上法兰和管箱法兰夹持固定，如下图示： 图3.7 管板与壳体的连接方式考虑到本设计为浮头式换热器，管束要拆卸进行清洗，使

27、用可拆式管板，如上图示，选用a 形连接方式，管板通过垫片与壳体法兰和管箱法兰连接，此连接在制造上较其它连接方式简单，装卸也比较方便，质量较轻。3.6 折流板和支持板折流板最小间距一般不小于圆筒内直径的五分之一，且不小于50mm，在本设计中换热管外径为25mm，据表GB151-1999表42查得其最大无支撑跨距为1.85m。同时支持板的形状和尺寸与折流板一致，所以可根据折流板的种类选取。常用的折流板和支持板的形式有弓形和圆盘-圆环形两种，弓形折流板有单弓形、双弓形和三弓形三种，各种形式折流板见图3.8。根据本设计的需要选用单弓形折流板。 图3.8 折流板折流板厚度按GB151-2011表34选取

28、，公称直径为900mm，折流板选用厚度为5mm。 折流板的间距一般不小于壳体内径的1/5，且不小于50mm，且不超过圆筒内径。两块管板与端部折流板的距离通常大于中间折流板的距离，中间折流板一般在管子有效长度上等距离布置，本次设计选取折流板间距为250mm。折流板数为18，则有中间折流板间距为：。3.7 拉杆和定距管拉杆有两种主要形式：1）拉杆定距管结构，适用于换热管外径大于或等于19mm的管束；2)拉杆与折流板点焊结构,适用于换热管外径小于或等于14mm的管束。已知换热管规格为，故选用拉杆定距管结构。根据表3.6所对应的换热管外径25，确定拉杆直径为16mm。表3.6换热管外径d10d1414

29、<d<2525d57拉杆直径101216已知拉杆直径16mm和换热器的公称直径900mm，再根据表3.7确定拉杆数量为6根。表3.7公称直径/拉杆<400400<700700<900900<13001300<15001500<18001800<20002000<230010121644466410861210616128181410241812282014根据表3.8选取 =20mm、 =60mm。表3.8拉杆直径d拉杆螺纹公称直径b1012161012161315204050601.52.02.0拉杆的连接尺寸如图3.9所示，拉杆应

30、尽量均匀布置在管束的外边缘，对于大直径的换热器，在布管区内或靠近折流板缺口处应布置适当的拉杆，任何折流板应不少于3个支承点。图3.9拉杆3.8 防冲与导流当管程介质从进口管以轴向流入时，或者换热管中的介质流速超过3m/s 时，应设置防冲板，以减少流体的不均匀分布和对换热管端的冲蚀。防冲板的形式一般有工字形、矩形和圆形。一般防冲板的边长应大于接管外径50mm，防冲板最小厚度：碳钢为4.5mm，不锈钢为3mm。3.9 法兰选择3.9.1 密封面型式常见法兰密封面主要有突面、凹凸面、榫槽面、全平面、环连接面5种型式，结构如下图所示：图3.10 密封面型式3.9.2 管箱法兰、壳体法兰、外头盖侧法兰和

31、外头盖法兰根据设计条件，本设备采用a型管板与壳体连接方式，设计压力1.58MPa,公称压力PN=16bar，查HG2059220635-97钢制管法兰、垫片、紧固件和JB47004703-200压力容器法兰，外头盖法兰、管箱法兰和壳体法兰都选用长颈对焊法兰（代号FM），外头盖侧法兰选用凸面密封面法兰（代号M）。3.9.3 接管法兰根据GB150-1999的规定，筒体开孔时，当其1500mm时，其最大直径d，且d。接管法兰根据HG20592-2009标准选用。设计温度200，根据设计温度选用压力等级PN16的法兰，公称直径为300mm，如图3.11所示。结构形式选用突面法兰密封面带颈对焊法兰，尺

32、寸见表3.9、表3.10。 图 3.11 突面(RF)法兰密封面结构 表3.9 密封面尺寸公称通径 DN 公称压力PN WXYZ 30036536537037839541025.04.5343363364342表3.10 接管法兰尺寸公称通径DN法兰外径D螺栓孔中心圆直径 K螺栓孔直径L螺栓孔数量N螺栓Th法兰厚度CNR3004604102612M2428342815213.9.4 垫片垫片装在管板与法兰之间，作用是防止容器发生泄漏。垫片是密封结构中的重要元件，其变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件。变形能力大的密封垫易填满压紧面上的间隙，并使预紧力不致太大；回弹能力大的密封垫，能适应操作压

33、力和温度的波动。又因垫片是与介质直接接触的，所以还应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等性能。根据HG20592-2009选用的缠绕式垫片，0Cr18Ni9金属带和柔性石墨。根据选定的法兰选垫片的型号：JB/T 4706-2000，基本结构如图3.11所示，其主要结构尺寸见件表3.11。 图3.11 垫片基本结构图表3.11 法兰垫片主要尺寸容器法兰垫片型号B51-800-4.0 JB/T 4075-2000121212401290 3.10 支座的选择 参照GB151-2011支座选择，鞍式支座选择SH/T3418-2007固定支座，规格为A900-F Q235B。第四章 设计计算与强度校核第

34、四章 设计计算与强度校核4.1 壳体、管箱圆筒和外头盖圆筒的壁厚计算与校核4.1.1 符号 C 厚度附加量，mm,对多层包扎圆筒只考虑内筒的C值;对热套圆简只考虑内侧第一层套合圆筒的C值 圆简或球壳的内直径,mm; 圆筒或球壳的外直径(),mm; 计算压力,MPa; 圆筒或球壳的最大允许工作压力,MPa 圆筒或球壳的计算厚度,mm; 圆筒或球壳的有效厚度,mm; 多层包扎圆筒内筒的名义厚度,mm; 圆筒或球壳的名义厚度,mm; 设计温度下圆筒或球壳的计算应力,mm; 设计温度下圆 筒或球壳材料的许用应力 ,M Pa ;4.1.2 壳体壁厚计算和校验 壳体圆筒的厚度按GB150-2011压力容器

35、第5章计算，但碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定。表4.1 碳素钢和低合金钢圆筒的最小厚度 公称直径4007007001000100015001500200020002600浮头式，U形管式810121416壳体圆筒设计条件如表4.2所示。表4.2 壳体圆筒设计条件部件 材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm壳体圆筒Q345R1171.5818910.83设计温度117下壳体的计算厚度如下，其中，=1，带入下式4.1得： （4.1）计算厚度：= 3.78mm设计厚度：名义厚度：,经圆整取=10mm, 圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定，则取= 12

36、mm有效厚度： 设计温度下圆筒的计算应力按下式4.2计算： （4.2） 设计温度下圆筒的最大允许工作压力按下式4.3计算： （4.3） 则有：满足强度和压力要求，故取= 12mm符合设计要求。4.1.3 管箱圆筒壁厚计算和校验管箱圆筒设计条件如表4.3所示：表4.3 管箱圆筒设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm管箱圆筒短节Q345R631.271560.850.83设计温度63下管箱圆筒短节的计算厚度如下，其中， ，=0.85，带入公式4.1得： 计算厚度：= 4.3mm设计厚度：名义厚度：,经圆整取=10mm, 圆筒的最小厚度应不小于表4.1的规定，取

37、= 12mm有效厚度：设计温度下圆筒的计算应力按公式4.2计算： 设计温度下圆筒的最大允许工作压力按公式4.3计算： 则有：满足强度和压力要求，故取= 12mm符合设计要求。4.2 浮头盖封头和管箱封头厚度计算压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。采用什么样的封头要根据工艺条件的要求、制造的难易程度和材料的消耗等情况来决定。 图4.1 标准椭圆封头此次设计采用标准椭圆形封头，它由半个椭球面和圆筒短节组成，如图4.1所示。直边段的作用是避免封头和圆筒的连接焊缝出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。椭

38、圆形封头应力分布比较均匀，且深度较半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中、低压容器中应用较多的封头之一。管箱封头和外头盖封头设计条件如表4.5，表4.6所示。表4.5 管箱封头设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm管箱封头Q345R631.271560.850.83表4.6外头盖封头设计条件部件材料设计温度设计压力Mpa许用应力Mpa焊缝系数C1mmC2mm外头盖封头Q345R2431.161560.850.32符号规定：Di 封头内直径，mm；D0封头外直径（),mm；h1 封头曲面深度，mm；h2封头质变高度，mm；A 封头内表面积，；V 封头容积，

39、m3；m 封头质量，； 计算压力，MPa； 最大允许工作压力，MPa；封头计算厚度，mm； 封头有效厚度，mm； 封头名义厚度，mm； 设计温度下封头材料的计算应力，MPa； 设计温度下封头材料的许用应力,MPa； 焊接接头系数。4.2.1 管箱封头厚度计算标准椭圆形封头的厚度计算如下,其中， ，=0.85带入公式4.4可得： （4.4）计算厚度：= 4.3mm设计厚度：名义厚度： ，圆整取=10mm, 考虑到管箱圆筒厚度为12mm，故取= 12mm有效厚度：标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15，但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。故该标准椭圆形封头

40、的名义厚度= 12mm合适。椭圆形封头的最大允许工作压力按下式4.5计算： （4.5）式中：K椭圆形封头形状系数， 表4.7 系数K值2.62.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.4K1.461.371.291.211.141.071.000.930.870.810.760.710.66由表4.7取K值为1，则则有：该封头满足压力要求，故取= 12mm符合设计要求。 设计温度下封头的计算应力按下式4.6计算： （4.6）则有：该封头满足强度要求，故取= 12mm符合设计要求。4.3 管板计算与校核4.3.1 管板的厚度计算符号规定：Ad 在布管区范围内，因设置隔板

41、槽和拉杆结构的需要，而未能被换热管支承的面积，；例如多管程管板，对于正方形排列: ；A1 管板布管区内开孔后的面积，mm2；At 管板布管区面积，；对于单管程换热器，正方形排列： 对于多管程换热器，应取上式计算值与之和；a 换热管管壁金属的横截面积，mm2；C 系数，按和查图23；DG 垫片压紧力作用中心圆直径，按GB150-2011压力容器第9章，mm； Dt 管板布管区当量直径，mm；d 换热管外径，mm; 设计温度时，管板材料的弹性模量,MPa； 设计温度时，换热管材料的弹性模量,MPa； 系数，按和查图24； 管束模数，Mpa，； 管束无量纲刚度，Mpa;；L 换热管有效长度（两管板内

42、侧间距）；n 换热管根数； 无量纲压力： Pd 管板设计压力，MPa；Pt 壳程设计压力，MPa；Ps 管程设计压力，MPa；q 换热管与管板连接的拉脱力，MPa； 许用拉脱力，MPa；S 换热管中心距，mm；R 半径，mm；对a型连接：； 管板计算厚度，mm； 换热管壁厚,mm； 管板强度削弱系数，一般可取； 设计温度下，管板材料的许用应力，MPa； 设计温度下，换热管材料的许用应力，MPa；4.3.3 管子与管板连接拉脱力的计算与校核1)本次设计管板与壳体的连接方式为a型连接方式，查得GB151-2011换热器的轴向应力按公式4.7计算: （4.7）式中：当量压力组合： , , , 则计算

43、结果为：MPa<02)因为，则计算换热管稳定许用压应力换热管的回转半径imm换热管失稳当量长度mm则 满足当时，3)换热管与管板连接的拉脱力根据GB151-2011中选取，根据已知条件选取则满足拉脱力校核条件 4.4 支座计算与校核根据SH/T3418-2007可知，选用A900-S Q345R/Q235B的滑动支座和A900-F Q345R/Q235B的固定支座。4.5 接管开孔补强计算内压容器圆筒或球壳开孔所需补强面积按下式4.14计算。 （4.14）式中=为强度削弱系数，为接管材料在设计温度下的许用应力， 为壳体材料的在设计温度下的许用应力，d 为开孔直径,为壳体的计算厚度，为接管

44、的有效厚度， 为接管的计算厚度。前面已经得到=4.2mm，=4.5mm，=12-2=10mm,mm查GB150-2011压力容器得 =131MPa，=159MPa。则壳体开孔所需要的开孔面积为：补强范围:有效宽度B按下式计算，取二者较大者： 2d=2×324=648 ; 取B=648mm接管外伸高度为mm实际高度为60mm。故接管外升高度 在有效的补强范围内，接管与壳体本身的补强面积可以按式4.15进行计算。 (4.15)式中： 有效补强面积； 壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积； 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积； 焊缝金属面积。根据GB151-1999式4.16有： (

45、4.16)壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积为： 接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积计算公式为： 则有： 取焊缝宽度为5mm，则焊接的截面面积为： =25有效补强面积： ，则需要补强补强面积为： =1372-990.7=381.3mm2设计中采用与壳体一样的钢材Q345R进行接管补强，补强厚度为： 4.6 压力实验4.6.1 壳体水压试验该试验的目的是为了检验容器在超工作压力下密结构的可靠性、焊缝的致密性以及容器的宏观强度。同时，观测压力试验受压元件母材和焊缝的残余变形量，还可及时发现材料和材料在制造过程中存在的缺陷。压力实验一般采用液压试验。内压容器壳体材料力学性质： =189MPa

46、, =189MPa。根据公式4.17，进行试验压力计算： （4.17）为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前按公式4.18校验圆筒应力： （4.18）式中： 试验压力下圆筒的应力，MPa； 圆筒内直径，mm 试验压力，MPa； 圆筒的有效厚度，mm； 圆筒材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服强度），MPa； 圆筒的焊接接头系数，=0.85。 所以，满足试验压力的要求，壳程可以用1.45MPa作为水压试验。4.6.2 管程水压试验压力根据材料性质，管程设计压力P1.27MPa，常温下，设计温度下则有： 所以，满足试验压力的要求,管程可以用1.58MPa作为水压试验。第五章 制造、检

47、验和验收第五章 制造、检验和验收5.1 总则1）容器的制造、检验与验收除应符合GB150-2011压力容器压力容器第10章规定外，还应符合图样要求。2）容器制造单位应具有符合国家压力容器安全监察机构有关法规要求的质量体系或质量保证体系。3）容器的焊接应由持有相应类别的“锅炉压力容器焊工合格证书”的人员担任。4）容器的无损检测应由持有相应方法的“锅炉压力容器无损检测人员资格证”的人员担任。5）容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类。6）凡制造受压元件的材料应有确认的标记。在制造过程中，如原有的确认标记被裁掉或材料分成几块，应在材料切割前完成标记的移植。确认标记和表达方式由制造单位规定。

48、7）对于有防腐要求的不锈钢以及复合钢制容器，不得在防腐蚀面采用硬印作为材料的确认标记。5.2 浮头式换热器的制造5.2.1 封头和管箱 封头和管箱的厚度一般不小于壳体的最小壁厚，且接管开孔往往采用整体加强而不用加强板。分程隔板两侧全长均应焊接，并应具有全焊透的焊缝。由于焊接应力较大，故管箱和封头法兰等焊接后，须进行消除应力的热处理，最后进行机械加工。5.2.2 折流板由于折流板一般都很薄，钻孔时钻头的推力将使管板中心变形，故可将下料成整圆的折流板去掉毛刺并校平、重叠、压紧后沿周边点焊，然后一起钻孔。须注意折流板叠合后的厚度不能超过钻头工作部分的4/5。为防止折流板钻孔时产生挠曲而影响孔距精度，

49、必须在折流板下面垫上整块木板以承受钻头的推力。为保证顺利穿管，必须使折流板的管孔与管板的管孔中心在同一直线上。可以将管板当作钻模放在折流板上压紧后进行引孔，即以管板为基础先在折流板上钻出和管板孔距一致的定位孔，然后取下管板，将折流板压紧，并换上适合折流板孔的钻头，以引出的定位孔为准进行加工。但须注意为防止产生积累误差故当作钻模的管板必须是第一块管板。这种加工方法的优点是：1）节省划线的工序。2）可保证每块板的孔距同管板孔距一致，免得组装时穿管困难。3）节省加工时间，提高生产效率。钻完孔后以钻出的孔为基准，再划线钻拉杆用孔及加工外圆，再按对称方向根据需要的折流板形状加工并依次作好记号，这样可保证今后的顺利装配。5.2.3 管束的组装换热器组装要求两管板相互平行，允许